Фитопатогенные микроорганизмы.
Фитопатология – наука о болезнях растений, основная задача которой – изыскание путей снижения ущерба, причиняемого сельскому хозяйству фитопатогенами. Фитопатология изучает больные растения, причины, вызывающие болезнь, влияние условий окружающей среды на ее развитие. Одно из направлений фитопатологии – исследование заболеваний, вызываемых прокариотами (эубактериями, актиномицетами, микоплазмами).
Современную фитопатологию следует рассматривать как комплексную науку, в которую входят в качестве самостоятельных разделов следующие дисциплины:
– этиология, изучающая причины развития заболеваний;
– фитоиммунология, рассматривающая механизмы устойчивости растений к болезням;
– эпифитотиология, исследующая закономерности проявления болезней, причины их массовости, прогноз развития заболеваний и др.
С болезнями растений человечество столкнулось еще в те времена, когда перешло от кочевого скотоводства к оседлому земледелию. Патогенные организмы, питающиеся за счет растений и вызывающие заболевания, с диких видов растений перешли на культурные и попали в самые благоприятные условия для развития и распространения: большое количество одинаковых по восприимчивости растений на небольшой площади. Поэтому еще в древности были известны массовые заболевания растений – эпифитотии.
Научная основа для изучения заболеваний растений была заложена в 40-х годах XIX в. Исследования проводились по двум направлениям:
изучение циклов развития грибов, и исследование паразитных видов и определение их роли в происхождении болезней растений. Особое место в исследованиях тех лет принадлежит работам братьев Луи и Шарля Тюлан во Франции, Антона де Бари в Германии и Михаила Степановича Воронина в России. Братья Тюлан исследовали грибные заболевания растений, а именно циклы развития различных грибов (мучнисторосяных, ржавчинных и др.). Ими было установлено, что в процессе развития заболевания грибы проходят различные стадии развития с наблюдающейся морфологической плейотропностью. Де Бари занимался изучением фитофтороза картофеля, одним из самых массовых поражений этой культуры. В середине XIX века этим возбудителем были поражены практически все поля картофеля в Англии, Франции, России. Де Бари установил причину заболевания, выделил возбудителя и применил метод искусственного заражения для установления инфекционной природы заболевания. В России основоположником фитопатологии считается М. С. Воронин. При изучении заболеваний капусты он показал, что паразиты этого растения способны вызывать заболевания и других представителей крестоцветных. Им были выделены и неизвестные ранее возбудители заболеваний грибной этиологии.
Микроорганизмы являются постоянными спутниками не только человека и животных, но и, в равной степени, высших растений, в том числе используемых в качестве лекарственного сырья. Микроорганизмы поселяются и ведут активный образ жизни, как на поверхности, так и внутри зеленых частей растений, их корней, семян, плодов. Для приготовления лекарств служат самые разнообразные растения и работники аптечных учреждений, фармацевтических фабрик и заводов должны обеспечивать сохранность лекарственного сырья от микробной порчи.
Все микроорганизмы, населяющие лекарственные растения, можно разделить на две группы:
1. представители нормальной микрофлоры растений;
2. фитопатогенные микроорганизмы – возбудители заболеваний растений.
Нормальная микрофлора растений представлена ризосферными и эпифитными микробами.
Зона почвы, находящаяся в контакте с корневой системой растений, носит название ризосферы, а микроорганизмы, развивающиеся в данной зоне, называются ризосферными. Условно различают два типа ризосферы: ближнюю и отдаленную.
Ближняя располагается непосредственно на поверхности корней и извлекается вместе с ними, отдаленная начинается на расстоянии нескольких миллиметров от корней и распространяется в радиусе 50 см от них. Количество микроорганизмов в ближней и отдаленной ризосфере различно: на поверхности корней их от 50 млн до 10 млрд, на расстоянии 15 см от корней до 5 млн в 1 г. почвы. Число микроорганизмов в ризосфере в 100 раз больше, чем в почве, где растения не произрастают, что связано с выделением корнями растений различных питательных веществ. В свою очередь, почвенные микробы могут оказывать благоприятное воздействие на жизнь растений, что обусловлено:
1). минерализацией органических веществ и растительных остатков;
2). образованием витаминов, аминокислот, ферментов и других факторов роста, усиливающих ферментативные процессы в растениях и способствующих усилению корневого питания и более энергичному обмену веществ растений;
3). антагонистической ролью в отношении фитопатогенных микроорганизмов.
Качественный и количественный состав микрофлоры ризосферы специфичен для каждого вида растений. Основная масса прикорневой микрофлоры представлена неспороносными грамотрицательными бактериями рода Pseudomonas, микобактериями и грибами, главным образом, базидиомицетами, реже фикомицетами, аскомицетами. Указанные грибы образуют симбиоз с корнями растений, в том числе и лекарственных, называемый микоризой. В зависимости от морфологических особенностей сожительства грибов с растениями различают эктотрофные и эндотрофные микоризы. Эктотрофные – ассоциации, при которых гриб не проникает внутрь корней, а поселяется на их поверхности, образуя своего рода чехол из мицелия. При эндотрофных микоризах мицелий гриба располагается в клетках коры корней растений, где образует скопления в виде клубков.
Микориза рассматривается как симбиотическое сожительство далеких организмов. Особенно это сожительство благоприятно для развития растений:
1. увеличивает поглощающую поверхность корней за счет разветвлений гиф гриба;
2. грибы своими ферментами разлагают богатые азотом органические соединения, обеспечивая растения аминокислотами, минеральными веществами и водой;
3. микоризные грибы снабжают растения ростовыми веществами.
Растения в свою очередь выделяют ряд ростовых веществ, стимулирующих развитие гриба. Кроме этого, грибы получают от растений углеводы, служащие источником энергии.
Эпифитной называется микрофлора, находящаяся на поверхности надземных частей растений. По качественному составу она довольно однообразна и типичными ее представителями являются Pseudomonas furbicola aurum – грамотрицательные короткие подвижные палочки, образующие колонии золотистого цвета на МПА; Pseudomonas fluorescens – полиморфные грамотрицательные палочки с полярными жгутиками, дающие флуоресценцию на МПА и МПБ. Реже встречаются споровые бактерии Bacillus mesentericus, Bacillus vulgatus, бесспоровые молочнокислые бактерии E. coli, грибы плесневые и дрожжевые.
Эпифитные микроорганизмы являются антагонистами фитопатогенных бактерий, тем самым, предохраняя растения от заболеваний.
Инфекционные болезни растений вызываются фитопатогенными бактериями. Заражение растений происходит через инфицированные семена, почву, грунтовые и дождевые воды, насекомых. Главным источником инфекции является почва, так как в ней могут содержаться остатки неперегнивших полностью больных растений.
Фитопатогенные микроорганизмы сравнительно легко могут проникать в растения через естественные образования (чечевички, нектарники, желёзки, корневые волоски) и искусственные повреждения, даже ничтожные царапины. Некоторые микроорганизмы, способны вырабатывать ферменты, гидролизирующие кутикулу растений и облегчающие внедрение возбудителя.
Существует несколько классификаций болезней растений:
– в зависимости от природы возбудителя (вирозы, бактериозы и т. д.);
– по поражаемым культурам (болезни злаков, бобовых и др.);
– по месту появления болезни (местные, или локальные и общие, или диффузные);
– по симптомам (пятнистости, гнили, некрозы и т. д.);
– – по возрасту или фазе развития растений (болезни семян, всходов и др.);
– по поражаемым органам (листья, плоды);
– продолжительности течения болезней (острые и хронические).
Фитопатогенные бактерии – возбудители инфекционных заболеваний лекарственных растений
К вирусным заболеваниям растений относятся мозаичные болезни, желтухи, болезнь увядания, карликовость, закукливание и др.
Грибные болезни растений – микофитозы: фузариозы, гнили, аскохитозы, головни и др.
Грибы, поражающие растения, могут в случае приготовления из пораженного зерна продуктов питания вызывать пищевые отравления человека – микотоксикозы. Примером является эрготизм – заболевание, возникающее при употреблении продуктов, приготовленных из зерна, зараженного спорыньей.
Попав в растение и достигнув критической концентрации в количественном отношении, микроорганизмы вызывают заболевания, называемые бактериозами. Различают общие бактериозы – поражение всего растения вследствие распространения возбудителя в сосудистой системе; и местные или очаговые – поражения на листьях, стволах, ветвях, корнях и корневищах, возникающие при интрацеллюлярном распространении микроба.
От начала заражения до момента проявления у растения симптомов болезни проходит инкубационный период, длительность которого различна и зависит от многих факторов: температуры, влажности, света, питания и др.
По совокупности анатомических и физиологических изменений определяют тип болезни растений:
1. Камедетечения, смолотечения, слизетечения. Чаще всего вызываются бактериями рода Erwinia и грибами (класс Ascomycetes), в большинстве наблюдаются у лиственных и хвойных деревьев.
2. Сухая и мокрая гниль. При этом размягчаются и разрушаются отдельные участи тканей и органов растения за счет жизнедеятельности бактерий (род Pectobacterium) и грибов (класс Ascomycetes и Fungi imperfecti).
3. Мучнистая роса. На листьях и побегах возникает белый налет, который является следствием размножения грибов (класс Ascomycetes).
4. Пожелтение, увядание, засыхание. Это заболевание чаще всего вызывается грибами (Fungi imperfecti), реже бактериями (род Corynebacterium), в ряде случаев заболевание носит неинфекционный характер.
5. Чернь. На листьях и побегах появляется черная пленка вследствие развития сумчатых и несовершенных грибов или бактерий рода Erwinia.
6. Ожог. Листья, молодые побеги, цветы, плоды буреют, чернеют. Возбудителями ожога являются бактерии рода Erwinia.
7. Пятнистость. Некоторые бактерии (род Pseudomonas), грибы (класс Ascomycetes и Fungi imperfecti), вызывают образование пятен разного цвета, формы, размеров на листьях, семенах и плодах.
8. Опухоли. Местное увеличение объема стволов, ветвей, корней, корневищ в виде наростов, вздутий, утолщений за счет гиперплазии клеток. Эти заболевания вызываются бактериями (род Agrobacterium), грибами и механическими повреждениями.
9. Язвы. Проявляются в виде углублений, часто окруженных наплывом. Вызываются бактериями (род Erwinia), грибами, механическими повреждениями, низкой температурой.
10. Мозаика листьев. На листьях появляются бледно окрашенные пятна, чередующиеся с нормально окрашенными участками. Вызываются вирусами.
11. Ведьмины метлы. Образование побегов из спящих почек в результате развития бактерий (род Rhisobium), грибов (класс Ascomycetes) и вирусов.
12. Деформация. Проявляется в изменении формы органов растения (искривление побегов, курчавость листьев, карликовость) вследствие поражения грибами (класс Ascomycetes и Fungi imperfecti), вирусами (семейство Reoviridae).
Развитие патологического процесса сопровождается появлением на растении признаков или симптомов болезни. Каждому заболеванию присущи свои характерные признаки или симптомы, проявление которых зависит от условий окружающей среды. В связи с этим различают типичные и нетипичные для данного заболевания симптомы. Все заболевания по проявляемым симптомам можно отнести к нескольким типам.
К одному из наиболее типичных симптомов заболевания растений относится развитие гнилей. Загниванию могут подвергаться все части растения, но особенно те, которые богаты водой и запасными питательными веществами (клубни, корнеплоды, луковицы), чаще при их хранении. Причиной развития гнилей могут быть и грибы, и бактерии. В случае, когда под воздействием ферментов патогена разрушается межклеточное вещество и клетки распадаются, говорят о возникновении мягких гнилей. Пораженная ткань превращается в бесформенную массу различных цветов. Гнили могут быть также мокрыми, сухими и твердыми. Мокрые гнили образуются в органах и тканях, богатых водой. Сухие гнили образуется при разрушении межклеточных веществ и оболочек клеток, относительно бедных водой, ткани теряют структуру и превращаются в волокнистую или порошкообразную массу. Примером развития гнилей такого типа являются поражения древесины трутовиками. Известны некоторые типы заболеваний, когда клетки отмирают без существенного разрушения пектина, т. е. твердые гнили.
Пятнистости или некрозы проявляются в виде участков отмершей ткани на пораженных органах растения – листьях, стволах, плодах. Пятна могут иметь различную форму: округлую, удлиненную, угловатую. На листьях форма некротических пятен зависит от расположения жилок. При поражениях жилок некрозы проявляются в виде штрихов. Очень часто некрозы четко ограничены от здоровой ткани и возбудитель локализован в таком пораженном участке. Такое ограничение распространения возбудителя можно рассматривать как защитную реакцию растения. В других случаях некрозы обильно заселены патогеном, пораженная ткань крупная и хорошо заметна. При некоторых поражениях на границе здоровой и пораженной ткани образуется опробковевшей слой, пораженные участки теряют связь со здоровыми и выпадают. Такой тип поражения называется дырчатой пятнистостью. Поражения типа пятнистостей характерны для микозов, бактериозов и вирозов.
Язвы (антракнозы) возникают при поражении насыщенных водой органов и тканей растений и характеризуются размягчением тканей, окружающих места заражения. В результате образуются углубления, в которых происходит спороношение паразита. Развитие язв можно рассматривать как один из случаев пятнистостей.
Хлорозы и мозаики возникают из-за нарушения пигментации листьев. При хлорозах это касается общего пожелтения или посветления листьев, при мозаиках пожелтение затрагивает отдельные части листа. Чаще всего причинами этого бывают нарушения питания или поражение вирусами.
Увядание, или вилт – широко распространенный тип поражения растений, гибель которых происходит в результате проникновения возбудителей в корневую и проводящую системы. Наблюдается закупоривание проводящих сосудов, под действием образующихся токсинов происходит некроз стенок. В результате нарушается транспорт воды в растении и оно увядает. Причиной развития вилта могут быть и грибы, и бактерии. В случае грибной инфекции увядание называется трахеомикозом, в случае бактериальной – трахеобактериозом. Однако увядание может быть связано и с неблагоприятными условиями окружающий среды.
Опухоли, или наросты проявляются как разрастание пораженной
ткани под влиянием возбудителя болезни. Могут образовываться на различных частях растения: на корнях (кила капусты), клубнях (рак картофеля), корнеплодах (рак корня свеклы). Возникновение наростов происходит в результате увеличения размеров пораженных клеток (гипертрофия), или их количества (гиперплазия). Иногда оба процесса протекают одновременно. Поражения такого типа свидетельствуют о том, что патогены выделяют гормональные вещества, способные нарушить присущий растению способ роста, привести к разрастанию отдельных тканей. Наросты, галлы, опухоли – характерные признаки болезней, вызываемых грибами, бактериями и вирусами. Налеты появляются на поверхности пораженных органов и представляют собой мицелий и спороношение возбудителя болезни – гриба. Особенности налета – окраска и расположение – могут служить диагностическими признаками возбудителя, например, настоящие и ложные
мучнистые росы.
Пустулы представляют собой участки пораженной ткани с признаками спороношения грибов, вначале прикрытые эпидермисом, который впоследствии разрушается и разрывается. Образование пустул является наиболее типичным признаком поражения ржавчинными грибами.
Парша – заболевание, развивающееся на покровных тканях, приводящее к их растрескиванию и образованию струпьев. Обычно возбудитель заболевания не проникает глубоко внутрь ткани, но при сильном поражении может вызвать деформацию плодов. Встречается парша на клубнях картофеля, плодах, семечках. Мумификация выражается в почернении и ссыхании пораженных
органов растения. Чаще всего мумифицируются пораженные мицелием паразитирующего гриба богатые питательными веществами органы. Пораженный плод превращается в твердое образование – склероций, кроющие ткани которого темноокрашены. Характерные примеры таких поражений – спорынья злаков, мумификация плодов яблони. Головня проявляется в разрушении и превращении пораженных органов и тканей растения в черную плотную или пылящуюся массу, состоящую из спор паразита, образующуюся на генеративных органах растения: колосе, зерновке и др.
Отставание в росте может быть связано с болезнями как местного, так и общего характера. Наблюдается обычно в виде очень сильной инфекции и не является симптомом, характерным для какого-либо конкретного заболевания.
Израстание связано с чрезмерным ростом растения за счет выделения патогеном ростовых веществ. С избыточным выделением ростовых веществ связана также и чрезмерная кустистость. В этом случае образуется большое количество стеблей, такие растения называют «ведьмины метлы». На такой процесс расходуется много энергии, растения плохо плодоносят, имеют мелкие листья и тонкие побеги. Считают, что часто этот симптом является признаком вирусного поражения.
Деформации представляют собой изменения формы пораженного органа. Например, некоторые грибные и вирусные болезни связаны с деформациями листьев: скручиванием, морщинистостью, курчавостью. Скручивание листьев является результатом их переполнения крахмалом (в результате нарушения его оттока при поражении проводящей системы). Морщинистость и курчавость проявляются вследствие неравномерного роста мезофилла и жилок, а нитевидность – в результате роста только жилок. Деформации цветков – пролиферации, махровость – являются результатом вирусных поражений.
Существенно важным является, то обстоятельство, что в больных растениях заметно отклоняются от нормы обменные процессы вплоть до качественных изменений клеточных структур, что приводит к нарушению химического состава тканей и снижению содержания действующих начал в лекарственных растениях, и использование их в качестве сырья в аптечных и заводских условиях становится невозможным.
Растительный организм обладает защитными механизмами, противодействующими внедрению и размножению фитопатогенных бактерий. К ним можно отнести особенности покровных тканей, высокую кислотность клеточного сока, образование биологически активных веществ – фитонцидов, подавляющих развитие микробов.
Развитие инфекционного процесса в значительной мере зависит от инфекционной нагрузки, или числа клеток возбудителя. Максимальная инфекционная нагрузка – число клеток возбудителя, которые вызывают в наиболее короткий срок развитие инфекционного процесса; минимальная инфекционная нагрузка – число клеток возбудителя, которые способны инфицировать растение. Инфекционная нагрузка для разных видов микроорганизмов различна, и колеблется от единичных до нескольких десятков и сотен клеток.
Для возникновения поражения при заражении микроорганизмами, сохраняющимися в почве, имеет значение плотность популяции возбудителя: число единиц в 1 г почвы или 1 г заселяемого субстрата – органа растения. Увеличение плотности популяции патогенов в почве обычно коррелирует с увеличением потенциала инокулюма. Потенциал инокулюма – число изолятов в популяции, обладающих фитопатогенными свойствами по отношению к одному или нескольким видам растения (или их сортам), что связано с формированием специализированных рас возбудителя. Плотность популяции и потенциал инокулюма зависят от многих факторов: корневых выделений растений, устойчивости или чувствительности к ним возбудителей, длительности культивирования растения, фунгицидных свойств почвы, наличия в ней растительных остатков и др.
В зависимости от вида патогенных организмов под инокулюмом понимают либо целый организм, либо его отдельные части, способные вызывать заболевания. У фитопатогенных грибов это могут быть споры и части вегетативного мицелия, у бактерий – клетки и споры, у вирусов – инфекционные частицы.
Количество (плотность) клеток патогенов, которые способны вызывать заболевания растений в почве или на поверхности листьев, может служить и критерием вирулентности случае проведения микробиологического титрования, которое включает четыре этапа: приготовление бактериальной суспензии и серии ее разведений, инокуляция растений определенными дозами клеток, учет состояния растений через определенные промежутки времени и обработка результатов зависимости дозаффект.
Для введения строго определенного количества клеток в растение используют е различные методы, среди которых наиболее точным является инокуляция с помощью шприца. Другие методы инокуляции – опрыскивание, обрезание кончиков листьев ножницами, смоченными в бактериальной суспензии или укол препарировальной иглой. Также может
быть использована инфильтрация, или введение клеток патогена шприцем под давлением.
К количественным характеристикам, с которыми приходится иметь дело при измерении инфекционного титра, относится и срок ответа, т.е. промежуток времени между введением возбудителя и появлением первых симптомов поражения (количество больных растений, диаметр зон поражения, количество пятен на листьях, их размер, длина полос и т.
д.) или гибелью растения.
Пути распространения инокулюма в природе весьма разнообразны: при помощи воды – гидрохория, животными – зоохория, по воздуху – анемохория и т. д. Насекомые обычно разносят инокулюм на ограниченные расстояния, лишь во время их миграций расстояния могут быть более значительными. Следует указать на то, что насекомые могут создавать дополнительные входные ворота для инфекции за счет наличия сосуще-колющего ротового аппарата. Например, Erwinia amylovora разносятся пчелами и другиими опылителямий и попадают в ранки, сделанные этими насекомыми. Фитопатогенные бактерии, вирусы и микоплазмы по воздуху, как правило, не распространяются. Таким путем они могут разноситься только с мельчайшими частицами пораженной ткани растений на незначительные расстояния.
Один из основных путей распространения бактерий –посадочный материал: семенами, клубнями и др. Обычно бактерии локализуются между семенной оболочкой и эндоспермом, проникают в зародыш (Pseudomonas syringae, Xanthomonas campestris и др.). Фитопатогенныебактерии способны сохраняться в почве, семенах и на растительных остатках. Однако чем быстрее происходит минерализация этих продуктов, тем меньше сохраняются бактерии. При сохранении фитопатогенных бактерий на поверхности растений или в их тканях, говорят о поверхностной контаминации.
В период заражения большинство фитопатогенных бактерий нуждается в повышенной влажности (от 50 до 100 %). Считают также, что бактерии сильно подвержены действию света. В с этим следует отметить, что пигментированные бактерии чаще поражают надземные, а непигментированные – подземные части растений. Проникновение возбудителя в ткани растения-хозяина происходит различными путями. Споры грибов способны проникать как в неповрежденные, так и в поврежденные ткани через естественные или искусственные отверстия. Бактерии не могут проникать в растения непосредственно через покровную ткань, заражение происходит только через естественные отверстия – устьица, чечевички или поврежденную покровную ткань. Например, мандарин более устойчив к поражению возбудителем
бактериального рака Xanthomonas citri, чем грейпфрут. Причина этого аключается в том, что наружные стенки устьиц мандарина устроены таким образом, что препятствуют проникновению в устьичную щель капель жидкости с клетками бактерий, у грейпфрута таких приспособлений нет. Особое значение для проникновения имеет влага: наличие капельно-жидкой влаги или высокая влажность на поверхности растений способствуют размножению патогенов.
2. Инкубационный период – период времени от заражения до проявления внешних признаков болезни. Продолжительность инкубационного периода зависит от температуры, влажности, освещенности и других факторов внешней среды. Например, у Xanthomonas campestris он может быть от 2 до 8 сут. При этом если возбудитель проникает через устьица, последующий срок развития заболевания удлиняется, если через механически поврежденную ткань – укорачивается.
На этапах заражения и инкубационного периода через обязательное распознавание и размножение патогена в тканях, реализуются два возможных типа взаимоотношений между ними: совместимые и несовместимые. Совместимые взаимоотношения (реакции) – развитие инфекционного процесса в результате размножения клеток микроорганизмов и продукции ими факторов патогенности, для развития несовместимые продукция организмом-хозяином факторов устойчивости к патогену.
3. Проявление заболевания определяется скоростью распространения возбудителя по проводящей системе или другими способами. В случае развитии бактериозов могут отмечаться как диффузные, так и местные поражения. При диффузных бактериозах возбудитель проникает в сосудистую систему, распространяется в проводящих пучках и прилегающих к ним тканях. Нарушается нормальное поступление воды и растение погибает. Основным симптомом является увядание. Например, развитие Clavibacter michiganensis на растениях томатов вначале проявляется лишь на листьях, затем – на побегах, в итоге растение увядает.
Гибель растения – одна из основныхпричин высокой вредоносности возбудителей диффузных бактериозов.
При диагностике бактериальных заболеваний необходимы:
1. тщательный анализ симптомов заболевания,
2. выделение возбудителя из пораженной ткани в чистую культуру,
3. изучение его биологических свойств,
4. повторное заражение растения с целью получения характерных симптомов заболевания,
5. повторное выделение возбудителя из искусственно зараженной ткани;
6. сравнение свойств выделенных в обоих случаях культур.
Меры профилактики. Заключаются в дезинфекции семян и посадочного материала, дезинфекции почвы, опрыскивании растений химическими веществами, уничтожении растительных остатков, переносчиков возбудителей, удалении больных растений и изоляции здоровых.
Существующая классификация фитопатогенных бактерий несовершенна, не всегда определена их родовая и видовая принадлежность.
Фитопатогенные бактерии относятся к родам: Erwinia, Pseudomonas, Xanthomonas, Corynebacterium, Pectobacterium, Rhisobium (табл.).
Известно, что вирусы вызывают более 20% болезней растений. Большинство вирусов относится к семейству Reoviridae, родам Phytoreovirus, Fijvirus.
Из фитопатогенных грибов следует отметить два класса – аскомицеты (Ascomycetes), и несовершенные грибы (Fungi imperfecti).
